1-5: Ciclo del Carbono, metano

Eugene S. Takle
© 1996

La tabla adjunta indica los contenidos de carbono de algunos de los principales ecosistemas terrestres. Las areas se presentan en hectáreas (1 hectárea equivale a 10,000 metros cuadrados o 2,47 acres) y los contenidos de carbono en unidades de 1015 gramos (pegaríamos o megatoneladas). De esta tabla se puede ver que los bosques tropicales caducifoleos y los bosques tropicales perennes suman casi la mitad del contenido de carbono del planeta. El bosque tropical lluvioso ha recibido considerable atención tanto en la literatura científica como en la prensa por su alto valor debido a que contiene mucho del carbono de las plantas de la tierra y sirve de hábitat de millones de especies biológicas, muchas de las cuales no han sido catalogadas. Los bosques boreales tienen un contenido de carbono comparable al de los bosques tropicales perennes; los bosques templados aportan cantidades significativas, aun cuando mas pequeñas. Las praderas y los pastos en zonas templadas, tales como las praderas nativas del oeste medio de los Estados Unidos, contribuyen con una cantidad relativamente pequeña al total del carbono de la vegetación comparado con el de las regiones boscosas de los trópicos o de las areas boreales. Es bastante ilustrativo analizar la cantidad de carbono de las plantas por unidad de area en cada tipo de terreno (dividiendo los valores de la segunda columna por los valores de la primera columna se obtienen los valores de la cuarta columna). Las tierras cultivadas de las zonas templadas contienen algo menos de la mitad de carbono por hectárea que las praderas nativas. Cuando los primeros colonos empezaron a intervenir las praderas, comenzó a reducirse el contenido de carbono en cerca de un 40%. Esto por supuesto, además de la deforestación que tuvo lugar en los márgenes de las praderas. La columna siguiente indica el contenido de carbono de los suelos. Los bosques boreales, la tundra y los prados de los alpes contribuyen con cantidades similares al total del carbono de los suelos del planeta. Los suelos de las praderas templadas y los pastos contribuyen con tanto carbono en los suelos como los suelos de los bosques boreales, pero un poco menos si se expresan por unidad de area. Los valores por unidad de area de la cuarta y quinta columna pueden expresarse en kilogramos por metro cuadrado dividiendo estos números por 10. Así, los bosques tropicales perennes tienen alrededor de 17.7 kg por metro cuadrado de carbono en la vegetación y las praderas templadas o pastos tienen alrededor de 0.7 kilogramos por metro cuadrado. El dato mas notable en esta columna es el enorme contenido de carbono en los suelos de los humedales herbáceos y arboles, que es mas de 2 1/2 veces el dato siguiente. El arado de los suelos incrementa la actividad microbiana en el suelo y lleva a una conversión mas rápida del carbono de los suelos a CO2. El drenaje y cultivo de los humerales y pantanos ha generado la perdida de cantidades significativas de carbono de los suelos. Uno de los beneficios de las practicas modernas de cultivo con mínimo arado y sin arado es que incrementan las cantidades de carbono almacenadas en los suelos.

Area cubierta, carbono en las plantas y producción primaria neta de los principales ecosistemas terrestres. (De Takle.)

La tabla siguiente muestra los cambios en las reservas de carbono para cada categoría de uso del suelo entre 1850 y 1980. En esta tabla, los números positivos indican disminución del contenido de carbono de una categoría en particular. Observe que algunas areas muestran un incremento en el carbono total debido al aumento del area de esta categoría y no como consecuencia del incremento del contenido de carbono por unidad de area. Por ejemplo, las tierras cultivadas en zonas templadas duplicaron su contenido de carbono entre 1850 y 1980, debido a que se duplico el area de esta categoría. La cantidad de carbono por unidad de area en este tipo de uso del suelo permaneció esencialmente constante.

Area cubierta, carbono en las plantas y producción primaria neta de los principales ecosistemas terrestres en 1850 y 1980. (De Takle.)

Las practicas agrícolas y de manejo de bosques pueden tener un efecto significativo sobre el ciclo global del carbono. Tanto el arado como la selección del cultivo, la plantación y las practicas de manejo de bosques afectan el ciclo global del carbono. Las tierras continentales de altas latitudes tienen grandes bosques boreales y tundra congelada que almacenan carbono por largos periodos de tiempo. Muchos procesos físicos y biológicos dependen de la temperatura: las altas temperaturas tienden a acelerar estos procesos. Por ejemplo, la cocción de los alimentos acelera el proceso de transformación física. En las areas tropicales donde la temperatura es alta y la humedad no es un limitaste, los procesos de degradación y crecimiento ocurren muy rápidamente, mientras que en las altas latitudes y grandes alturas (areas montañosas) ocurren muy lentamente. Las alteraciones que tiene lugar en las areas donde las transformaciones ocurren lentamente toman mucho mas tiempo en recuperarse que las que ocurren en climas templados.

Los suelos agrícolas han perdido cerca de la tercera parte de su carbono original. La agricultura, mediante el uso de practicas alternativas de cultivo y la eliminación del uso excesivo de fertilizantes nitrogenados, pueden ayudar a reducir el dióxido de carbono de la atmósfera, permitiendo que mas carbono quede almacenado en el suelo. Los fertilizantes nitrogenados estimulan el los procesos en el suelo y aceleran la transformación del carbono del suelo a dióxido de carbono: reducir el uso excesivo de fertilizantes nitrogenados reducirá las perdida de carbono del suelo a la atmósfera.

El dióxido de carbono es un gas muy amigable: a concentraciones atmosféricas, aun el doble de las actuales, no es nocivo para los humanos, dado que es inodoro, incoloro y no reacciona con el cuerpo humano: es mas, las plantas crecen mas vigorosamente en ambientes enriquecidos de CO2, entonces por que la preocupación acerca de su incremento ? Una característica significativa del dióxido de carbono es que tiene un largo tiempo de vida muy largo en la atmósfera. La gráfica adjunta muestra el exceso de concentración en la atmósfera en función del tiempo. Esta gráfica da una respuesta a la siguiente pregunta: si colocamos un kilogramo adicional de dióxido de carbono en la atmósfera, que tanto tiempo podría permanecer allí ? Las curvas muestran que la perdida en la atmósfera acurre muy lentamente. Toma alrededor de 60 anos para que la mitad del kilogramo inicial sea removido de la atmósfera y alrededor de 200 anos para que se pierdan las dos terceras partes de la cantidad inicial. El tiempo de vida del dióxido de carbono en la atmósfera es obviamente muy largo. Esto significa que grandes cantidades de dióxido de carbono que se están actualmente introduciendo en la atmósfera por la quema de combustibles fósiles y la deforestación, permanecerán por varias décadas.

Exceso de la concentración atmosférica de CO2 como una función del tiempo. Houghton, J.T., G.J. Jenkins, J.J. Ephraums, eds, 1990: 1990 Intergovernment Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 364 pp.

Hemos identificado numerosos procesos naturales que suministran cantidades importantes de dióxido de carbono en la atmósfera, mayores que las que aporta la quema de combustibles fósiles o la deforestación. La incertidumbre en la magnitud de estas fuentes naturales es grande y quizá mucho mayor que las cantidades que se le atribuyen a las fuentes antropogenicas. Entonces temporalmente atribuiremos este incremento a un error en nuestros estimativos y no culparemos a los humanos.

El diagrama de la derecha muestra suficiente evidencia de que la fuente de mucho del incremento en el carbono de la atmósfera es por los combustibles fósiles. El carbono tiene tres isótopos, C12, C13, and C14. El C12 es el mas abundante, y el C13 y el C14 se producen del C12 por la radiación cósmica. Una vez se producen, el C13 o el C14 muy lentamente se degradan hasta C12. Los combustibles fósiles representan el carbono que ha sido removido de la biosfera por siglos y quemado bajo la superficie de la tierra donde es protegido de la radiación cósmica de tal forma que el C13 y el C14 de dichos depósitos de carbono ha tenido un gran tiempo para degradarse a C12 sin la producción de nuevas cantidades de C13 y C14. En consecuencia los combustibles fósiles son principalmente C12. La combustión de los combustibles fósiles adiciona C12 a la atmósfera pero no C13 o C14. Esto significa que las cantidades relativas de C13 y C14 deben disminuir en la medida que los niveles de C12 se incrementan. La gráfica adjunta muestra medidas de la fracciones parciales de carbono en la atmósfera en los últimos 130 anos. Los datos muestran claramente una disminución en la en la abundancia relativa de C14 durante las ultimas décadas. Estos datos muestran una fuerte evidencia de las implicaciones de los combustibles fósiles como principales contribuyentes al incremento del dióxido de carbono en la atmósfera. Los datos para el C13 confirman esta evidencia.

Cambios en la concentración atmosférica de carbono 14 entre 1850 y 1954 obtenidos del análisis de anillos de arboles (Fuente desconocida)

El destino del dióxido de carbono introducido en la atmósfera por la quema de combustibles fósiles puede resumirse como se muestra en la figura la cual indica el numero de pegaríamos de carbono por ano tomados por el océano y el océano y la atmósfera juntos entre 1800 y 1990. La diferencia en estas dos curvas, indicada como "residual", es la cantidad estimada que debe contabilizarse por cambios en la vegetación y cambios en el uso del suelo (por ejemplo deforestación y perdida de capacidad de secuestramiento de carbono por la urbanización). La gráfica de la derecha da el mejor estimativo de la cantidad por el uso del suelo. El restante, denominado "sumidero perdido". sugiere que hay una parte sin contabilizar por perdidas de carbono del sistema atmósfera/océano. Se especula que los bosques boreales o que los océanos de las altas latitudes pueden ser los responsables, pero se requieren mas datos para identificar el sumidero perdido.

Captura anual de carbono. (Adaptado y corregido de Sarmiento, J. L., 1993: Ocean and Carbon Cycle. C & E News, May 31.)

Hemos visto el dióxido de carbono de la atmósfera desde el pasado hasta el presente, y ahora seria importante mirar el futuro. Las emisiones antropogenicas de dióxido de carbono a la atmósfera en el futuro, las cuales ocurren principalmente por el uso de combustibles fósiles, están muy ligadas al desarrollo económico. La fuerte actividad económica en los países desarrollados y la modernización de los países en vías de desarrollo están estrechamente relacionadas a la producción de energía eléctrica, al uso de maquinas para quemar combustibles fósiles, y al uso de cemento. Todos estos agentes de crecimiento producen dióxido de carbono y subproductos. Actualmente la producción antropogenica de dióxido de carbono crece un 2% por ano. Podemos utilizar diferentes tasa de crecimiento económico para proyectar la producción futura de dióxido de carbono, como se muestra en la siguiente gráfica. Aquí podemos ver que de continuar nuestra actual tasa de crecimiento, la concentración atmosférica de dióxido de carbono alcanzara los 600 ppm en el 2050. Reduciendo nuestra tasa de crecimiento a cero (manteniendo las emisiones en los niveles actuales) reduce el nivel a 440 ppm en el 2050. Si nuestra meta fuera limitar los niveles en la atmósfera a 400 ppm, tendríamos que reducir las emisiones un 2% por ano. Si se dejaran de utilizar todas las plantas de energía que queman combustibles fósiles, dejáramos de utilizar los automóviles y elimináramos todas las demás emisiones antropogenicas, la concentración atmosférica de dióxido de carbono en el ano 2050 regresaría a los niveles del ano 1980

Tasa de producción antropogenica de CO2. Houghton, J.T., G.J. Jenkins, J.J. Ephraums, eds, 1990: 1990 Intergovernment Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 364 pp.

Estos datos revelan el dilema que debemos afrontar si buscamos limitar el crecimiento de dióxido de carbono en la atmósfera. Parece que estamos destinados a tener un muy alto nivel de dióxido de carbono en la atmósfera de la tierra, comparado con los niveles de los últimos 160,000 anos hasta la mitad del siguiente siglo.

Resumiremos brevemente lo que hemos aprendido acerca del ciclo del carbono hasta este punto. Durante el periodo 1860-1994 se emitieron a la atmósfera alrededor de 241gigatoneladas de carbono a la atmósfera por la combustión de combustibles fósiles; en 1990 la deforestación contribuyo con 6.0 gigatoneladas de carbono y la tasa actual es del orden de 1.6 gigatoneladas por ano. Aparentemente la deforestación esta creciendo nuevamente en Sur América debido a la demanda de tierras para fincas. La concentración de dióxido de carbono en la atmósfera se ha incrementado desde 275 ppm en la mitad del siglo pasado hasta un valor de 360 ppm o u poco mas en 1996. Entendimos la estructura básica dedal ciclo del carbono. Es posible construir modelos cualitativos para utilizarlo como una guía para proyectar las concentraciones de CO₂ La incertidumbre de las proyecciones de los cambios futuros del CO₂ sobre la base de un escenario dado de emisiones es considerablemente menor que los escenarios de emisión por si mismos. No podemos proyectar nuestro crecimiento económico muy bien, pero si pudiéramos, probablemente podríamos proyectar nuestros niveles de CO₂ con precisión. Se requerirá alguna reducción en la tasa de crecimiento de las emisiones para evitar que la concentración atmosférica del dióxido de carbono se duplique antes de la mitad del próximo siglo.

El metano es otro constituyente de la atmósfera cuya concentración se ha incrementado en los últimos anos. El metano es también un gas de efecto invernadero alrededor de 20 veces mas efectivo que el CO₂ en una base molecular. Una molécula de metano absorberá 20 veces mas radiación infrarroja que una de CO₂. Su tiempo de vida es mucho mas corto que el del dióxido de carbono, lo cual compensa parcialmente su alta absorción.

Realmente el metano es el gas de invernadero que ha crecido mas rápidamente. La primera gráfica de abajo muestra que la actual concentración de metano, en partes por millón en volumen (ppm) es de cerca de 1.7 ppm. Algunas veces la concentración de metano se da en partes por billón en volumen (ppb), lo cual equivaldría a 1700 ppb. Los valores numéricos muestran que el metano es mucho menos abundante que el dióxido de carbono, el cual tiene una concentración actual cercana a los 360 ppm. Sin embargo, la curva muestra que la concentración esta creciendo cerca de 1% por ano. Si observamos un periodo mas largo, como se muestra en la segunda gráfica de abajo, vemos que la concentración se ha incrementado sustancialmente desde la Revolución Industrial. Los estimativos del metano de la atmósfera de mil anos atrás sugieren valores del orden de 0.7 ppm (700 ppb) los cuales se mantuvieron constantes hasta finales de 1700s. Desde esa época la concentración se ha duplicado. Si examinamos datos del hielo de la corteza de la Antártica de 160,000 anos atrás vemos que los niveles de metano fluctuaron entre 300 partes por billón y 700 partes por billón hasta la Revolución Industrial cuando comenzó a aumentar hasta cerca de las 1700 partes por billón

Concentraciones globales de metano en la troposfera. (Adaptado de Blake and Rowland (1987).)	Concentración atmosférica promedio de metano. (Adaptado de Khalil and Rasmussen, C and E News, 64 (47), 23.)	Perfiles de metano, CO2 y temperatura. (Adaptado de Woodwell et al, Scientific American, April 1989.)

Cuales son las fuentes de metano ? El reporte del IPCC de 1992 señala a los pantanos como la fuente natural mas grande de metano con 115 tragáramos (1012 gramos) de carbono por ano. La incertidumbre de este numero es sin embargo muy alta. Las termitas son productores importantes de metano en tanto que consumen madera y liberan metano en el proceso de digestión. El océano produce alrededor de 10 tragáramos por ano de metano: el agua dulce y los hidratos de metano aportan cantidades mas pequeñas.

Estimativo de las fuentes y sumideros de metano. (Adaptado de IPCC supplemental Report, 1992.)

Las fuentes antropogenicas incluidas la minería del carbón, la industria del petróleo y el gas natural están alrededor de los 100 tragáramos, cifra comparable al de los pantanos naturales. Los sembrados de arroz producen alrededor de 60 tragáramos por medio de procesos donde el metano producido en el suelo viaja a lo largo del tallo de la planta y es liberado a la atmósfera sin pasar a través del agua la cual tendería a suprimir la evolución del metano. La fermentación enterca, el proceso de digestión de los rumiantes tales como el ganado, las ovejas y las cabras producen cantidades muy grandes de metano. Los residuos de animales producen alrededor de 25 tragáramos; las aguas residuales domesticas, 25 tragáramos; los rellenos sanitarios alrededor de 30 tragáramos y la quema de biomasa alrededor de 40 tragáramos. Algunos rellenos sanitarios están cubriéndose actualmente para utilizar el metano como fuente de energía. Esta es una buena sensibilización al problema del calentamiento global además de que se obtiene una fuente "gratuita" de gas combustible. Quemar una amolecula de metano produce una molécula de CO2 pero el problema del calentamiento global se reduce en un factor de 20 debido a que una molécula de dióxido de carbono es veinte veces menos efectiva para absorver la radiación infrarroja que una molecular de metano

Como se muestra en la gráfica de la EPA, China es el principal productor de arroz seguido de India e Indonesia.

El incremento en la población de animales esta contribuyendo a aumentar el metano a la atmósfera. Las siguientes gráficas muestran el reciente incremento en la población de diferentes clases de animales domésticos. Si la preferencia de los humanos por la carne continua seguirá creciendo la producción de animales y en consecuencia la producción de metano. Una situación particular para observar es el desarrollo de un posible cambio de dieta en la China. Si examinamos los hábitos alimenticios de Japón, Corea del sur y otras naciones Asiáticas que se han desarrollado muy rápidamente, uno de los cambios mas significativos durante el desarrollo económico es el de los hábitos alimenticios, donde pasan del los granos, principalmente arroz en estos casos, a sustanciales incrementos en el consumo de carne. La gran pregunta en el horizonte ahora es que va a pasara en China? China tiene una gran población que se esta desarrollando extremadamente rápido, si China asigne los patrones de otras naciones Asiáticas, la demanda de carne cercare dramáticamente.

Tendencias en la poblaciones animales domésticos (1890-1985). (De EPA, 1989: Policy Options for Stabilizing Global Climate.)

Los sumideros de metano incluyen la remoción en la atmósfera de alrededor de 470 tragáramos, la remoción por los suelos de alrededor de 30 tragáramos, dejando un incremento en la atmósfera de alrededor de 30 tragáramos. Tomando los subtotales de las fuentes naturales y antropogenicas es fácil ver que los humanos contribuyen por lo menos con lo mismo que las fuentes naturales o mucho mas . Estos números son consistentes con el aumento observado de metano en la atmósfera en los últimos 200 anos (Véase la Tabla de fuentes y sumideros)

El monoxido de carbono es otro gas carbonaceo en la atmósfera de la tierra que participa en el ciclo global del carbono. La Tabla anexa muestra las fuentes y sumideros del monoxido de carbono en teragramnos de carbono por ano. La combustión de combustibles fósiles es una fuente significativa como lo es la combustión de biomasa. El monoxido de carbono también puede producirse en reacciones de oxidación secundaria del metano de los hidrocarburos diferentes del metano(NMHC). Los principales sumideros incluyen reacciones con el radical hidroxilo y la captura por los suelos. Estos estimativos también puede tener grandes incertidumbres, pero nuevamente parece que las fuentes antropogenicas dominan las naturales. El monoxido de carbono es mucho mas reactivo que el dióxido de carbono, aunque su tiempo de vida en la atmósfera es comparativamente mas corto. La NASA utilizando satélites ha realizado Mediciones de CO y N2O.

Estimativo de las fuentes y sumideros de monoxido de carbono. (De EPA, 1989: Policy Options for Stabilizing Global Climate.

Información adicional.

Traducción de Luis Rodrigo Chaparro M.